24. September 2013 · DBG · Pressemitteilung

Biosyntheseweg eines Hormones, das Freund und Feind von Pflanzen lockt

Für seine Entdeckung, wie Pflanzen das Hormon Strigolacton herstellen, erhält der Dr. Adrian Alder den Strasburger-Preis der Deutschen Botanischen Gesellschaft (DBG). An der Universität Freiburg hat der 31jährige bisherige Annahmen widerlegt, wie das Hormon entsteht, den korrekten Weg herausgefunden und das Zwischenprodukt Carlacton identifiziert, das ähnliche Wirkungen wie das fertige Hormon entfaltet. Mit Strigolactonen locken Pflanzen symbiontische Pilze zum beiderseitigen Vorteil an. Der pflanzliche Botenstoff wird aber auch von Schmarotzerpflanzen missbraucht. Das einfacher aufgebaute Carlacton eröffnet neue Perspektiven im biologischen Pflanzenschutz, indem es bislang kaum zu bekämpfende Parasiten, die ganze Ernten vernichten, in den Selbstmord treiben kann. Für diese Arbeiten wird Alder am 30. September 2013 mit dem mit 2.500 Euro dotieren und von Springer Spektrum gestifteten Strasburger-Preis ausgezeichnet, den er während der diesjährigen Botanikertagung in Tübingen aus den Händen des Präsidenten der DBG, Prof. Dr. Karl-Josef Dietz, entgegen nehmen wird.

Wurzeln von Nutzpflanzen wie Tomaten oder Mais geben Strigolactone in die Erde ab, um damit Pilze anzulocken als Startschuss für eine Symbiose. Die angelockten Pilzfäden verzweigen und vereinigen sich mit der Pflanze und beide versorgen sich anschließend wechselseitig mit Mineralstoffen und Zuckern. Ihren Namen verdanken Strigolactone der parasitischen Striga, einem Sommerwurzgewächs, welches das Hormon ebenfalls erkennt und dazu benutzt, Gräser und Getreide aufzuspüren und zu befallen. Anschließend saugt es seine Wirte aus ohne sich dafür zu revanchieren. Der Landwirtschaft bescheren parasitische Sommerwurze wie Striga und Hexenkräuter jedes Jahr enorme Verluste, vor allem in Afrika aber auch in Mittelmeerländern und anderen subtropischen Regionen. Das Phytohormon Strigolacton spielt auch bei anderen Prozessen eine Rolle und kontrolliert etwa das Aussehen von Hecken, Sträuchern und Bäumen, weil es Wurzelentwicklung beeinflusst und die Bildung von Seitenzweigen zweikeimblättriger Pflanzen unterdrückt.

Überraschend einfache Biosynthese in 3-D

Wie Strigolactone in Pflanzen aufgebaut werden, war vor Alders Veröffentlichung in der Zeitschrift Science ein Rätsel. Fälschlicher weise nahm man bis dahin an, dass deren Biosynthese überaus komplex sein müsse und viele enzymatische Reaktionen erfordere. Denn Strigolactone bestehen aus drei molekularen Ringen, die über eine Enol-Ether-Brücke mit einem vierten Ring verbunden sind. Alder hat die geltenden Annahmen daher erst gemeinsam mit den Professoren Dr. Salim Al-Babili und Dr. Peter Beyer über Bord werfen müssen, um der wahren Biosynthese auf die Spur zu kommen. Wie er herausfand sind lediglich drei Enzyme an der Biosynthese beteiligt: zwei Dioxygenasen (CCD7 und CCD8) und das Eisenbindeprotein D27. Diese drei katalysieren die zahlreichen Isomerisierungs-, Spaltungs- und Oxidationsschritte bei der Umwandlung der Vorstufe Beta-Carotin zu den Strigolactonen. Beta-Carotine sind pflanzliche Farbstoffe, die Blättern und Früchten ihre gelb-rote Farbe verleihen.

Der Clou seiner Arbeit ist die Erkenntnis, dass die drei Enzyme stereospezifisch sind, also nur Moleküle mit einer bestimmten 3-D-Anordnung verarbeiten. Wie Alder, der inzwischen an der ETH Zürich forscht, ebenfalls mittels Hochleistungsflüssigkeitschromatographie und Massenspektrometrie herausfand, ist die räumliche Anordnung der Atome des Vorläufers Beta-Carotin entscheidend für die Strigolacton-Biosynthese.

Neu entdecktes Carlacton

Eines der drei Enzyme, das Enzym CCD8, verwandelt sein Substrat in eine bis dahin unbekannte Substanz, dem die Forscher den Namen Carlacton gaben. Carlacton, weil es eben kein vollständiges Strigolacton ist, aber viele Eigenschaften der Strigolactone aufweist und sogar einige seiner Funktionen bereits erfüllen kann. Es reguliert etwa die Anzahl der Ähren von Reispflanzen und veranlasst Mykorrhiza-Pilze Kontakt aufzunehmen, um eine Symbiose anzubahnen.

Zur Suizidkeimung veranlasste Parasiten

Das von Alder charakterisierte Carlacton bringt aber auch die Samen der parasitischen Striga zum Keimen. „Die nun bekannte Biosynthese der Strigolactonen-ähnlichen Carlactone eröffnet neue Wege zur Synthese von Mitteln, die zur Bekämpfung von parasitären Pflanzen eingesetzt werden können. Der Parasit Striga befällt Mais und Kuhbohnen wodurch er existenzbedrohende Ernteausfälle verursacht“, erklärt DBG-Präsident Professor Dietz, der den Preis überreichen und die Laudatio auf den Preisträger halten wird. Wie Alder in seinem Festvortrag anlässlich der Preisverleihung ausführen will, könnte man Striga oder parasitische Hexenkräuter mit Carlactonen dazu verleiten schon auszukeimen, bevor ihr Wirt anwesend ist, von dem sie sich normalerweise ernähren. Denn diese parasitischen Pflanzen müssen als Keimling rasch ihren Wirt finden, weil sie nicht von eigenen Speicherstoffen zehren können. Keimen sie ohne einen Wirt in ihrer Nähe, hungern sie bald aus und sterben ab. Damit könnte man das bisherige Hauptproblem der Striga-Parasiten und der Hexenkräuter überwinden, die nicht nur zahlreiche Samen produzieren sondern deren Samen auch bis zu 20 Jahre im Boden überdauern und viele Äcker auf Jahre hinaus belasten. „Die neue Möglichkeit, Parasiten gezielt in die sogenannte ‚Suizidkeimung‘ zu treiben“, erläutert Dietz, „kann das Leben der Menschen südlich der Sahara entscheidend verbessern. Wir freuen uns daher, Adrian Alder mit diesem Preis auszuzeichnen“.

Publikationen

Die wissenschaftliche Arbeit von Dr. Adrian Alder trägt den Titel “The path from β-carotene to carlactone, a strigolactone-like plant hormone“ und erschien in der Zeitschrift Science. doi: 10.1126/science.1218094

Eine Pressemitteilung dazu veröffentlichte die Universität Freiburg: www.pr.uni-freiburg.de/pm/2012/pm.2012-03-21.54

Bild

Dr. Adrian Alder analysiert in der Dunkelkammer Intermediate der Strigolacton Biosynthese mit einem Gerät für die Hochleistungs-Flüssigkeits-Chromatographie (HPLC). Foto: Salim Al-Babili, Universität Freiburg.
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Ansprechpartner für die Medien

Dr. Adrian Alder
ETH Zürich, Biologie Department, Pflanzenbiotechnologie, LFW E14, Universitätstrasse 2, 8092 Zürich, Schweiz
Phone: +41 44 632 49 52
E-Mail: aldera[at]ethz.ch
Website: http:// www.pb.ethz.ch/people/aldera

Prof. Dr. Karl-Josef Dietz
Präsident der DBG
Biochemie und Physiologie der Pflanzen
Fakultät für Biologie - W5
Universität Bielefeld
33501 Bielefeld
Deutschland
Tel. ++49 (0)521 1065589
E-Mail: karl-josef.dietz[at]uni-bielefeld.de
Website: http://web.biologie.uni-bielefeld.de/pflanzenbiochemie/

Hintergrund

Seit 1994 verleiht die Deutsche Botanische Gesellschaft e.V. (DBG) den Strasburger-Preis für die Leistung eines in den Pflanzenwissenschaften Promovierten. Das Preisgeld wird alle zwei Jahre von Springer Spektrum (www.springer-spektrum.de) bereitgestellt. Die Stiftung wurde aus Anlass der 100jährigen Wiederkehr des Erscheinens der ersten Auflage des "Lehrbuchs der Botanik für Hochschulen" von Eduard Strasburger, Fritz Noll, Heinrich Schenck und A. F. Wilhelm Schimper aus dem Jahr 1894 eingerichtet. Die Auswahl des Preisträgers erfolgt durch eine Jury. Diese besteht aus den Autoren der zum Bewerbungstermin um den Strasburger-Preis in Planung befindlichen nächsten Auflage des „Strasburger Lehrbuch der Botanik" sowie dem Präsidenten der DBG und dem Biologielektor von Springer Spektrum. Die DBG ist die gemeinnützige deutschsprachige Organisation für Pflanzenwissenschaftlerinnen und Pflanzenwissenschaftler und fördert die Pflanzenforschung sowie den wissenschaftlichen Austausch ihrer etwa 850 Mitglieder. www.deutsche-botanische-gesellschaft.de

Text: Dr. Esther Schwarz-Weig, Redaktionsbüro WissensWorte, für die Deutsche Botanische Gesellschaft


Dr. Adrian Alder analysiert in der Dunkelkammer Intermediate der Strigolacton Biosynthese mit einem Gerät für die Hochleistungs-Flüssigkeits-Chromatographie (HPLC). Foto: Salim Al-Babili, Universität Freiburg.